Получение многослойного композиционного покрытия наплавкой ленточными электродами Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.791.927

t

Матвиенко Ш 1„ Иванов В Л, Степнов ЮС

ПОЛУЧЕНИЕ МНОГОСЛОЙНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО ПОКРЫТИЯ НАПЛАВКОЙ ЛЕНТОЧНЫМИ ЭЛЕКТРОДАМИ

При решении задач восстановления наплавкой изношенных рабочих поверхностей различных деталей металлургического и прокатного оборудования особое внимание уделяют качеству и свойствам наносимого покрытия, наиболее полно отвечающего условиям эксплуатации.

Создание определённых конструкций слоистых композиций наплавкой материалами с необходимым соотношением физико-механических свойств, позволяет не только компенсировать снижение долговечности активного рабочего слоя из-за дефектов литой структуры наплавленного металла, но и обеспечить существеннее повышение работоспособности изделия [1-3]. Многослойное рабочее покрытие с изменяющимися по сечению свойствами позволяет повысить работоспособность наплавленного изделия за счёт релаксации напряжений, возникающих от динамической или термической нагрузок, что способствует повышению стойкости против распространения трещин. Получение наплавленных слоёв металла различных свойств позволяет тормозить развитие трещин при статическом, термоусталостном и ударном нагружении. Получение в наплавленном покрытии прочной и упругой матрицы, в которой расположены вязкие, пластичные прослойки, позволяет создавать барьеры на пути движения трещины

При получении наплавкой слоистых композиций необходимо обеспечить не только заданный уровень, но и достаточно высокую точность легирования каждого слоя, влияющих на контрастность структуры и свойств. Эффективным путём повышения трещиносгойкосги слоистых композиций является увеличение числа границ раздела слоёв. Это может быть реализовано наплавкой материалами с более высокой вязкостью разрушения, чем у основного металла, а также созданием на пути движения трещины пластичных зон - локализагоров, способных тормо зить трещину.

Композиционная структура наплавленного металла с прочной матрицей и вязкими прослойками может быть получена лишь в определенных условиях, когда изменение тепловой и гидродинамической обстановки препятствует интенсивному перемешиванию металла ванны и установлению однородного состава.

Стремление получить в наплавленном слое комплекс требуемых служебных характеристик, в том числе организованную слоистость при высокой контрастности свойств, неизбежно вступает в противоречие с возможностями технологии наплавки. Поскольку свойства наплавленного металла, как правило, резко отличаются от свойств основного металла, необходимо ограничить разбавление им наплавленного валика. При дуговой наплавке надёжное и стабильное проплавление, исключающее образование несплавлений основного металла с наплавленнь im, считается можно достичь лишь при значениях доли участия основного металла в наплавленном не менее 30 - 40 %, т.е. при использовании проволочного ■электрода сплошного сечения. При таких значениях не только снижается работоспособность наплавленного металла, но и возрастает число слоёв, которое необходимо наплавить, чтобы исключить содержание примесей основы.

Рассредоточив тепловложение по пятну нагрева, используя электроды плоской (ленточной) формы, можно резко снизить долю участия основного металла в наплавленном, обеспечив получение требуемого химического состава наплавяемого покрытия уже в первых

слоях, что очень существенно в случае нанесения покрытия ограниченной высоты. Созданию слоистых композиций, наплавленных ленточным "электродом, препятствует низкая технологическая стабильность процесса, т.е. возможность получения высокого качества валика по всей наплавленной поверхности при сохранении неизменными параметров валика. Особенно основная трудность заключается в обеспечении строго ограниченного, но равномерного по ширине надёжного проплавлення - без несплавлений, а также локальных углублений

Использование составных ленточных электродов (рис.1) позволяет управлять тепло- и массопереносом по ширине сварочной ванны, характером процесса наплавки (соотношением дугового и шлакового процессов), условиями и производительностью плавления электродного и основного металлов [4-6].

Эффект локального ввода тепла боковыми (допол нительнь ¡ми) лентами на краях обеспечивает надёжное, без дефектов сплавление с радом наплавленным валиком, либо с двумя валиками при многопроходной наплавке в зазор между ними. Расход тепла на расплавление кромок смежных валиков устраняет локальное проплавление.

Изменяя угол а между средней (основной) и боковыми (дополнительными) лентами, удаётся не только воздействовать на форму ванны и получать равномерную глубину проплавлення (при наплавке отдельного валика), но также улучшить качество формирования валика, благодаря перераспределению тепловложения по ширине ванны, а также воздействию на поток жцдкого металла вдоль ее боковых стенок, предотвращая образование подрезов.

2 1 2 Г ! \

Рис 1 - Составные ленточные электроды: 1 - основная лента; 2 - дополнительные ленты.

Способ наплавки составными ленточными электродами позволяет формировать макроразнородную структуру наплавленного валика (в средней части и на краях). Для этого боковые ленты должны отличаться по содержанию легирующих элементов относительно основной и располагаться от неё на определенном расстоянии (рис. 1, размеры а и Ь), что обеспечивает снижение степени перемешивания различных слоёв металла в пределах одного валика Таким образом достигается перераспределение легирующих элементов по ширине наплавленного валика, что позволяет управлять химическим составом наплавленного слоя и улучшать его служебные характеристики. При этом возможность регулирования размеров лент, зазора между ними (при соответствующем согношении массовых скоростей подачи дополнительных и основной лент - Мд/Мо) обеспечивает необходимое перераспределение легирующих элементов, качественное формирование наплавленного за один проход валика с тремя зонами в поперечном сечении (рис2, а).

Реализуя технологию наплавки составными ленточными электродами различного состава возможно получение слоев металла с переменным фазовым составом по поперечному

сечению, что позволяет управлял» макронеоднородностью наплавляемых слоев. Поскольку химические составы и теплофизические свойства лент различны, то и размеры, количество, степень перегрева, а также условия растворения в ванне капель металла основной и дополнительных лент будут существенно отличаться. Используя особенности данной технологии можно управлять химической неоднородностью наплавляемого покрытия в широких пределах. Способ наплавки составными разнолегированными ленточными электродами, обеспечивая высокую контрастность состава и свойств на границах слоев, при высокой точности легирования и стабильности состава в пределах каждого слоя, позволяет создавать многослойные композиционные покрытия с резко выраженной слоистостью.

Для получения многослойного покрытия необходимо в процессе наплавки каждого последующего слоя смешать положение оси основной ленты относительно предыдущего слоя. В этом случае образуется покрытие с чередующими слоями - нижние и верхние участки с различными свойствами (рис2).

2 1 ' 2

Рис. 2 - Формирование многослойного композиционного покрытия: а - поперечное сечение одиночного валика, наплавленного составными разнолегированными лентами; Ь - поперечное сечение Двух смежных валиков; с - поперечное сечение многослойного композиционного покрытия; 1 - слой металла, наплавленный основной лентой; 2 - слои металла, наплавленные дополнительными лентами.

Величина зазора а оказывает существенное влияние как на качество формирования наплавленного валика, так и макроразнородной структуры. В результате проведенных исследований установлена оптимальная область (рисЗ) зависимости величины а от

соотношения массовых скоростей подачи Мд/М„, и угла поворота а дополнительных лент, по зволяющая рекомендовать определённое соотношение параметров составных ленточных электродов д ля получения высококачественного многослойного композиционного покрытия.

Чрезмерное увеличение расстояния а приводит к нарушению формирования однородного валика - образуются недопустимые углубления в этой зоне или отдельные наплавленные валики. Уменьшение этого расстояния - не даёт положительных результатов с точки зрения создания макроразнородной структуры в связи с интенсивным перемешиванием расплавленного металла основной и дополнительных лент в общей сварочной ванне.

60 70 80 90 100 Угол поворота, град.

110

1 1 1

i

! i

i ! i Ж 1 Jf

2 i ж

j,

2

I j

15 14

13

I

12 i 11 I

ш

ю I

9

го

7 120

Рис.3 - Зависимости соотношения массовых скоростей подачи Мд/М« и зазора между основной

и дополнительными лентами от угла поворота дополнительных лент: 1 - оптимальная область; 2 - области некачественного формирования.

Таким образов, управляя процессом наплавки составными ленточными электродами с различным содержанием легирующих элементов, их взаимным расположением, отношением их массовых скоростей подачи, можно создавать многослойные композиты с резко выраженной слоистостью.

Перечень ссылок

1. Гулаков C.B., Носовский Б.И. Особенности получения швов с регламентированным распределением химических элементов по длине // Сварочное производство. - 1982. - № 7. -С. 10-11.

2. Новожилов Н.М. Изготовление и применение в машиностроении сплавов переменного состава. - М.: Машиностроение, 1987. - 80С.

3. Дуговая наплавка прокатных валков слоями с разнородной структурой / Л. К. Лещинский, К.К. Степнов и др.// Автоматическая сварка. -1989. - № 12. - С. 49-53.

4. Лещинский Л.К., Матвиенко В.Н., Лаврик В.П. Влияние формы электродной ленты на качество наплавленного слоя стали // Автоматическая сварка -1985. - № 9. - С. 60-62.

5. Лещинский Л.К., Матвиенко В.Н., Гулаков C.B. Форма сварочной ванны при наплавке составными ленточными электродами // Автоматическая сварка. -1991. - № 11. - С. 58-60.

6. Гулаков C.B., Матвиенко В.Н. Пути управления качеством широкослойной наплавки // Вестник Приазов. гос. техн. у-та: Сб.научн.тр. Вып. 1: Мариуполь, 1995. - С. 155-156.